radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2022-25-5-42-55radioelectronics-676Research ArticleПРОЕКТИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВENGINEERING DESIGN AND TECHNOLOGIES OF RADIO ELECTRONIC FACILITIESСпособ пространственной обработки для радара системы контроля железнодорожного переездаA Method of Spatial Processing for a Railway Crossing Control Radar Systemhttps://orcid.org/0000-0002-1857-776XКузинА. А.KuzinA. A.

Кузин Андрей Алексеевич – доцент (2013) кафедры информационных радиосистем

ул. Минина, д. 24, Нижний Новгород, 603950

Andrey A. Kuzin, Associate Professor (2013) of the Department of Informational Radio Systems

24, Minin St., Nizhny Novgorod 603950

kuzin_andrey@nntu.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6952-4134МякиньковА. В.MiakinkovA. V.

Мякиньков Александр Валерьевич – доктор технических наук (2013), доцент (2010), профессор кафедры информационных радиосистем, директор Института радиоэлектроники и информационных технологий

ул. Минина, д. 24, Нижний Новгород, 603950

Aleksandr V. Miakinkov, Dr Sci. (Eng.) (2013), Associate Professor (2010), Professor of the Department of Informational Radio Systems, Director of the Institute of Radio Electronics and Informational Technology

24, Minin St., Nizhny Novgorod 603950

redvillage@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0531-209XФоминаК. С.FominaK. S.

Фомина Ксения Сергеевна –  инженер, аспирант и ассистент кафедры информационных радиосистем

ул. Минина, д. 24, Нижний Новгород, 603950

Ksenia S. Fomina, engineer, Postgraduate and Assistant of the Department of Informational Radio Systems

24, Minin St., Nizhny Novgorod 603950

ksf96@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7772-4857ШабалинС. А.ShabalinS. A.

Шабалин Семен Андреевич – инженер, ассистент кафедры информационных радиосистем

ул. Минина, д. 24, Нижний Новгород, 603950

Semen A. Shabalin, Engineer, Assistant of the Department of Informational Radio Systems

24, Minin St., Nizhny Novgorod 603950

shabalin.semyon@yandex.ruНижегородский государственный технический университет им. Р. Е. АлексееваРоссияNizhny Novgorod State Technical University n. a. R. E. AlekseevRussian Federation2022281120222554255Copyright © Кузин А.А., Мякиньков А.В., Фомина К.С., Шабалин С.А., 20222022Кузин А.А., Мякиньков А.В., Фомина К.С., Шабалин С.А.Kuzin A.A., Miakinkov A.V., Fomina K.S., Shabalin S.A.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/676 Введение

 Введение. Железнодорожный (ж/д) переезд является источником повышенной опасности как для автомобилей, так и для пешеходов. Для повышения безопасности движения в зоне ж/д переезда могут быть использованы радарные системы. В качестве антенн данных систем зачастую выступают антенные решетки (АР). Основными требованиями, предъявляемыми к радару на ж/д переезде, являются широкий сектор обзора (до 90°) и в то же время высокая точность определения координат целей. Является актуальным анализ способа построения АР и пространственной обработки для автоматической системы контроля движения на ж/д переезде, позволяющий обеспечить выполнение указанных требований.  

Цель работы

Цель работы. Разработка способа построения топологии АР и пространственной обработки радара для контроля движения на ж/д переезде, с помощью которого достигается широкий сектор обзора при высокой точности определения координат целей.  

Материалы и методы

Материалы и методы. Для рассматриваемого способа построения АР использованы методы теории пространственно-временной обработки сигналов. Разработка анализируемых топологий АР выполнялась методом конечных элементов и методом конечных разностей на базе отрезков микрополосковой линии передачи.  

Результаты

Результаты. Разработаны способ построения заполненной приемо-передающей АР и алгоритм формирования лучей, обеспечивающие высокое угловое разрешение и однозначное измерение угловых координат цели в широком секторе обзора при относительно низкой вычислительной сложности. Выполнено математическое и электродинамическое моделирование спроектированных топологий АР. Получены уточненные оценки диаграмм направленности (ДН) передающей и приемной АР, которые с высокой степенью точности совпадают с расчетными. Представлены основные конструктивные решения, касающиеся построения АР радара системы безопасности переезда, для обеспечения широкого сектора обзора при определении координат целей.  

Заключение

Заключение. Показано, что ширина результирующей ДН АР может быть уменьшена в несколько раз по сравнению с шириной ДН приемной решетки при использовании двух передающих антенн, расположенных по краям апертуры. Такой подход во многом аналогичен использованию технологии MIMO, но не требует обеспечения когерентности каналов передачи и применения системы ортогональных сигналов, что также определяет перспективность использования разработки.

Introduction

Introduction. Railway crossing is a source of increased danger for vehicles and pedestrians. To increase the safety of traffic at railway crossings, radar systems based on antenna arrays (AA) can be used. The important requirements for radar at a railway crossing are a wide field of view (up to 90 degrees) and, at the same time, a high accuracy in determining coordinates. Therefore, an analysis of methods for constructing AAs and spatial processing for an automatic traffic control system at a railway crossing seems to be a relevant research task.  

Aim

Aim. Design of a method for constructing the topology of an AA and spatial processing of a radar system for monitoring traffic at a railway crossing, providing a wide field of view with a high accuracy in determining the coordinates of targets.  

Materials and methods

Materials and methods. The considered method was developed based on the theory of space-time signal processing. The design of the analyzed AA topologies was carried out by the finite element method (FEM) and the finite differ-ence time domain method (FDTD) based on segments of a microstrip transmission line.  

Results

Results. A method for constructing a filled transceiver antenna array and a beamforming algorithm, which provide high angular resolution and unambiguous measurement of the target's angular coordinates in a wide field of view with relatively low computational complexity, was developed. Mathematical and electrodynamic modeling of the designed AA topologies was performed. Adjusted values of the radiation patterns (RP) of the transmitting and receiving AA were obtained, which showed good agreement with the calculated values. The main design solutions regarding the construction of AA radar for a railway crossing control system are presented to provide a wide field of view when determining the coordinates of targets.  

Conclusion

Conclusion. It was shown that the width of the resulting RP can be reduced by several times compared to the width of the receiving RP when using two transmitting antennas located at the edges of the aperture. This approach is similar to that used in the MIMO technology, although requiring no coherence of transmission channels and use of a system of orthogonal signals. The findings determine the prospects of using the developed method.

антенная решеткарадар миллиметрового диапазона волнсуммарно-разностный методдиаграмма направленностимикрополосковая линияantenna arraymillimeter wave radarsum-difference methoddirectivity patternmicrostrip lineReferencesRailway safety radar system with use of FSR / A. G. Ryndyk, A. V. Myakinkov, D. M. Balashova, V. N. Burov, S. A. Shabalin, A. D. Mikhaylov // Proc. of 2021 21st Intern. Radar Symp. (IRS), Berlin, Germany. 21–22 June 2021. IEEE, 2021. doi: 10.23919/IRS51887.2021.9466229Ryndyk A. G., Myakinkov A. V., Balashova D. M., Burov V. N., Shabalin S. A., Mikhaylov A. D. Railway Safety Radar System with Use of FSR. Proc. of 2021 21st Intern. Radar Symp. (IRS). Berlin, Germany, 21–22 June 2021. IEEE, 2021. doi: 10.23919/IRS51887.2021.9466229Cherniakov M. Bistatic Radar: principles and practice. Chichester: John Wiley & Sons, 2007. 518 p. doi: 10.1002/9780470035085Cherniakov M. Bistatic Radar: Principles and Practice. Chichester, John Wiley & Sons, 2007, 518 p. doi: 10.1002/9780470035085Rohling H. Automotive radar // Proc. SPIE 5484, Photonics Applications in Astronomy, Communications, Industry, and High-Energy Physics Experiments II. 2004. doi: 10.1117/12.569057Rohling H. Automotive Radar. Proc. SPIE 5484, Photonics Applications in Astronomy, Communications, Industry, and High-Energy Physics Experiments II. 2004. doi: 10.1117/12.569057Schneider M. Automotive radar – status and trends // Proc. of German Microwave Conf., Ulm, Germany, 2005. P. 144–147.Schneider M. Automotive Radar – Status and Trends. Proc. of German Microwave Conf. Ulm, Germany. 2005, pp. 144–147.Waldschmidt C., Hasch J., Wolfgang M. Automotive radar – from first efforts to future systems // IEEE J. of Microwaves. 2021. Vol. 1, № 1. P. 135–148. doi: 10.1109/JMW.2020.3033616Waldschmidt C., Hasch J., Wolfgang M. AutoMotive Radar – from First Efforts to Future Systems. IEEE Journal of Microwaves. 2021, vol. 1, no. 1, pp. 135– 148. doi: 10.1109/JMW.2020.3033616Development of the automotive radar for the systems of adaptive cruise control and automatic emergency breaking / V. N. Burov, A. A. Kuzin, A. V. Myakinkov, A. D. Pluzhnikov, A. G. Ryndyk, R. S. Fadeev, S. A. Shabalin, P. S. Rogov // Proc. of 2019 Intern. Conf. on Eng. and Telecommunication (EnT), Dolgoprudny, Russia, 20–21 Nov. 2019. IEEE, 2019. doi: 10.1109/EnT47717.2019.9030600Burov V. N., Kuzin A. A., Myakinkov A. V., Pluzhnikov A. D., Ryndyk A. G., Fadeev R. S., Shabalin S. A., Rogov P. S. Development of the Automotive Radar for the Systems of Adaptive Cruise Control and Automatic Emergency Breaking. Proc. of 2019 Intern. Conf. on Eng. and Telecommunication (EnT). Dolgoprudny, Russia. 20–21 November 2019. IEEE, 2019. doi: 10.1109/EnT47717.2019.9030600Railway level crossing obstruction detection using MIMO radar / A. H. Narayanan, P. Brennan, R. Benjamin, N. Mazzino, G. Bochetti, A. Lancia // 8th European Radar Conf., Manchester, UK, 12–14 Dec. 2011. IEEE, 2011.Narayanan A. H., Brennan P., Benjamin R., Mazzino N., Bochetti G., Lancia A. Railway Level Crossing Obstruction Detection Using MIMO Radar. 8th European Radar Conf. Manchester, UK, 12–14 December 2011. IEEE, 2011.Foreign objects intrusion detection using millimeter wave radar on railway crossings / H. Cai, F. Li, D. Gao, Y. Yang, S. Li, K. Gao, A. Qin, C. Hu, Z. Huang // 2020 IEEE Intern. Conf. on Systems, Man, and Cybernetics (SMC), Toronto, Canada, 14 Dec. 2020. IEEE, 2020. doi: 10.1109/SMC42975.2020.9282881Cai H., Li F., Gao D., Yang Y., Li S., Gao K., Qin A., Hu C., Huang Z. Foreign Objects Intrusion Detection Using Millimeter Wave Radar on Railway Crossings. 2020 IEEE Intern. Conf. on Systems, Man, and Cybernetics (SMC). Toronto, Canada, 14 December 2020. IEEE, 2020. doi: 10.1109/SMC42975.2020.9282881Signal degradation through sediments on safety-critical radar sensors / M. G. Ehrnsperger, U. Siart, M. Moosbühler, E. Daporta, T. F. Eibert // Adv. RadioSci. 2019. Vol. 17. P. 91–100. doi: 10.5194/ars-17-91-2019Ehrnsperger M. G., Siart U., Moosbühler M., Daporta E., Eibert T. F. Signal Degradation through Sediments on Safety-Critical Radar Sensors. Adv. RadioSci. 2019, vol. 17, pp. 91–100. doi: 10.5194/ars-17-91-2019Waite J. L., Arnold D. V. Interferometric radar principles in track hazard detection to improve safety // IGARSS 2000. IEEE 2000 Intern. Geoscience and Remote Sensing Symp. Taking the Pulse of the Planet: The Role of Remote Sensing in Managing the Environment. Proceedings (Cat. No.00CH37120), Honolulu, USA, 24–28 July 2000. IEEE, 2002. doi: 10.1109/IGARSS.2000.859622Waite J. L., Arnold D. V. Interferometric Radar Principles in Track Hazard Detection to Improve Safety. IGARSS 2000. IEEE 2000 Intern. Geoscience and Remote Sensing Symp. Taking the Pulse of the Planet: The Role of Remote Sensing in Managing the Environment. Proceedings (Cat. No.00CH37120). Honolulu, USA, 24–28 July 2000. IEEE, 2002. doi: 10.1109/IGARSS.2000.859622Iqbal Z., Pour M. Grating Lobe Mitigation in Scanning Planar Phased Array Antennas // 2019 IEEE Intern. Symp. on Phased Array System & Technology (PAST), Waltham, USA, 15–18 Oct. 2019. IEEE, 2019. P. 1–3. doi: 10.1109/PAST43306.2019.9020996Iqbal Z., Pour M. Grating Lobe Mitigation in Scanning Planar Phased Array Antennas. 2019 IEEE Intern. Symp. on Phased Array System & Technology (PAST). Waltham, USA, 15–18 October 2019. IEEE, 2019, pp. 1–3. doi: 10.1109/PAST43306.2019.9020996Tashtarian G., Majedi M. S. Grating lobes reduction in linear arrays composed of subarrays using PSO // 2019 Intern. Symp. on Networks, Computers and Communications (ISNCC), Istanbul, Turkey, 18–20 June 2019. IEEE, 2019. P. 1–6. doi: 10.1109/ISNCC.2019.8909108Tashtarian G., Majedi M. S. Grating Lobes Reduction in Linear Arrays Composed of Subarrays Using PSO. 2019 Intern. Symp. on Networks, Computers and Communications (ISNCC). Istanbul, Turkey, 18–20 June 2019. IEEE, 2019, pp. 1–6. doi: 10.1109/ISNCC.2019.8909108Khalilpour J., Ranjbar J., Karami P. A novel algorithm in a linear phased array system for side lobe and grating lobe level reduction with large element spacing // Analog Integrated Circuits and Signal Processing. 2020. Vol. 104. P. 265–275. doi: 10.1007/s10470-020-01612-1Khalilpour J., Ranjbar J., Karami P. A Novel Algorithm in a Linear Phased Array System for Side Lobe and Grating Lobe Level Reduction with Large Element Spacing. Analog Integrated Circuits and Signal Processing. 2020, vol. 104, pp. 265–275. doi: 10.1007/s10470-020-01612-1Pirkani A. A., Pooni S., Cherniakov M. Implementation of MIMO beamforming on an OTS FMCW automotive radar // IRS 2019, Intern. Radar Symp., Ulm, Germany, 26–28 June 2019. IEEE, 2019. 8 p. doi: 10.23919/IRS.2019.8768103Pirkani A. A., Pooni S., Cherniakov M. Implementation of MIMO Beamforming on an OTS FMCW Automotive Radar. IRS 2019, Intern. Radar Symp. Ulm, Germany, 26–28 June 2019. IEEE, 2019, 8 p. doi: 10.23919/IRS.2019.8768103Engels F., Wintermantel M., Heidenreich P. Automotive MIMO radar angle estimation in the presence of multipath // European Radar Conf. (EURAD), Nuremberg, Germany, 11–13 Oct. 2017. IEEE, 2017. doi: 10.23919/EURAD.2017.8249152Engels F., Wintermantel M., Heidenreich P. Automotive MIMO Radar Angle Estimation in the Presence of Multipath. European Radar Conf. (EURAD). Nuremberg, Germany, 11–13 October 2017. IEEE, 2017. doi: 10.23919/EURAD.2017.8249152Hehenberger S. P., Yarovoy A., Stelzer A. A 77- GHz FMCW MIMO radar employing a non-uniform 2D antenna array and substrate integrated wave-guides // 2020 IEEE MTT-S Intern. Conf. on Microwaves for Intelligent Mobility (ICMIM), Linz, Austria, 23–23 Nov. 2020. IEEE, 2020. doi: 10.1109/ICMIM48759.2020.9299059Hehenberger S. P., Yarovoy A., Stelzer A. A 77- GHz FMCW MIMO Radar Employing a Non-Uniform 2D Antenna Array and Substrate Integrated Wave-Guides. 2020 IEEE MTT-S Intern. Conf. on Microwaves for Intelligent Mobility (ICMIM), Linz, Austria, 23–23 November 2020. IEEE, 2020. doi: 10.1109/ICMIM48759.2020.9299059Radar subsystems of autonomous mobile robotic systems for studying tsunami in the coastal zone / P. O. Beresnev, A. A. Kurkin, A. A. Kuzin, A. V. Myakinkov, E. N. Pelinovsky, A. G. Ryndyk, S. A. Shabalin // Science of Tsunami Hazards. 2020. Vol. 39, iss. 3. P. 137– 155. doi: 10.1109/ICMIM48759.2020.9299059Beresnev P. O., Kurkin A. A., Kuzin A. A., Myakinkov A. V., Pelinovsky E. N., Ryndyk A. G., Shabalin S. A. Radar Subsystems of Autonomous Mobile Robotic Systems for Studying Tsunami in the Coastal Zone. Science of Tsunami Hazards, 2020, vol. 39, iss. 3, pp. 137–155. doi: 10.1109/ICMIM48759.2020.9299059Millimeter-wave phased antenna array for automotive radar / A. A. Kuzin, A. V. Myakinkov, A. G. Ryndyk, S. A. Shabalin // Proc. Intern. Radar Symp., Ulm, Germany, 26–28 June 2019. IEEE, 2019. doi: 10.23919/IRS.2019.8768182Kuzin A. A., Myakinkov A. V., Ryndyk A. G., Shabalin S. A. Millimeter-Wave Phased Antenna Array for Automotive Radar. Proc. Intern. Radar Symp. Ulm, Germany, 26–28 June 2019. IEEE, 2019. doi: 10.23919/IRS.2019.8768182Банков С. Е., Курушин А. А. Электродинамика и техника СВЧ для пользователей САПР. М.: Солон-пресс, 2017. 316 с.Bankov S. E., Kurushin A. A. Elektrodinamika i tekhnika SVCh dlya pol'zovatelei SAPR [Electrody-namics and Microwave Technology for CAD Users]. Moscow, Solon-press, 2017, 316 с. (In Russ.)Use of subarrays in a linear array for improving wide angular scanning performance / F. S. Akbar, L. P. Ligthart, G. Hendrantoro, I. E. Lager // IEEE Access. 2019. Vol. 7. P. 135290–135299. doi: 10.1109/ACCESS.2019.2941398Akbar F. S., Ligthart L. P., Hendrantoro G., Lager I. E. Use of Subarrays in a Linear Array for Improving Wide Angular Scanning Performance. IEEE Access, 2019, vol. 7, pp. 135290–135299. doi: 10.1109/ACCESS.2019.2941398Многопозиционная просветная радиолокационная система с подвижными позициями / А. В. Мякиньков, Д. М. Смирнова, А. А. Кузин, В. Н. Буров // Датчики и системы. 2015. № 11. С. 21–27.Myakinkov A. V., Smirnova D. M., Kuzin A. A., Burov V. N. Multi-Static Forward Scatter Radar with Moving Positions Sensors & Systems. Sensors & Systems. 2015, no. 11, pp. 23–29. (In Russ.)Бляхман А. Б., Мякиньков А. В., Рындык А. Г. Измерение координат целей в трехкоординатных бистатических радиолокационных системах с обнаружением на просвет // Радиотехника и электроника. 2006. Т. 51, № 4. С. 422–427.Blyakhman A. B., Myakinkov A. V., Ryndyk A. G. Measurement of Target Coordinates in Three-Dimensional Bistatic Forward-Scattering Radar. J. of Communications Technology and Electronics. 2006, vol. 51, no. 4, pp. 397–402. (In Russ.)Бляхман А. Б., Мякиньков А. В., Рындык А. Г. Пространственно-временная обработка сигналов в бистатической просветной радиолокационной системе с антенной решеткой // Радиотехника и электроника. 2004. Т. 49, № 6. С. 707–712.Blyakhman A. B., Myakinkov A. V., Ryndyk A. G. Space-Time Signal Processing in a Bistatic Forward-Scattering Radar System with an Array Antenna. J. of Communications Technology and Electronics. 2004, vol. 49, no. 6, pp. 664–669. (In Russ.)Kumari P., Mitra E., Mandal D. Wide null control of compact multiple antenna terminals using PSO // 2017 Intern. Electrical Engineering Congress (iEECON), Pattaya, Thailand, 08–10 March 2017. IEEE, 2017. doi: 10.1109/IEECON.2017.8075847Kumari P., Mitra E., Mandal D. Wide Null Control of Compact Multiple Antenna Terminals Using PSO. 2017 Intern. Electrical Engineering Congress (iEECON), Pattaya, Thailand, 08–10 March 2017. IEEE, 2017. doi: 10.1109/IEECON.2017.8075847Pozar D. M. Microwave engineering. 4rd ed. NY: John Wiley & Sons, Inc., 2012. 752 p.Pozar D. M. Microwave Engineering. 4rd Ed. NY, John Wiley & Sons, Inc., 2012, 752 p.Balanis C. A. Antenna theory: analysis and design. NY: John Wiley & Sons Inc., 2016. 1095 p.Balanis C. A. Antenna Theory: Analysis and Design. NY, John Wiley & Sons Inc., 2016, 1095 p.Sedivy P. Radar sidelobe canceller performance evaluation // 2013 Conf. on Microwave Techniques (COMITE), Pardubice, Czech Republic, 17–18 Apr. 2013. IEEE, 2013. doi: 10.1109/COMITE.2013.6545067Sedivy P. Radar Sidelobe Canceller Performance Evaluation. 2013 Conf. on Microwave Techniques (COMITE). Pardubice, Czech Republic, 17–18 April 2013. IEEE, 2013. doi: 10.1109/COMITE.2013.6545067Ward J., Compton R. T. Sidelobe level performance of adaptive sidelobe canceller arrays with element reuse // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1990. Vol. 38, iss. 10. P. 1684–1693. doi: 10.1109/8.59783Ward J., Compton R. T. Sidelobe Level Performance of Adaptive Sidelobe Canceller Arrays with Element Reuse. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1990, vol. 38, iss. 10, pp. 1684–1693. doi: 10.1109/8.59783

The authors declare that there are no conflicts of interest present.